王 琿 鐘 蕾 付曉全 施 翔 胡麗芳 蔡怡聰 賀浩華 陳小榮

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江西省超級稻工程技術(shù)中心/雙季稻現(xiàn)代化生產(chǎn)協(xié)同中心，江西南昌 330045）

水稻直播指未進(jìn)行育秧、移栽，直接播種建立大田植株群體的栽培方式［1-2］。與育苗移栽相比，水稻直播具有明顯的省工、省力、高效等優(yōu)點(diǎn)，并有利于機(jī)械化操作［3-5］，因此在全國各地受到普遍推廣［6-7］。目前我國直播稻播種面積約占全國水稻播種面積的1/3［8］。然而，南方雙季稻區(qū)早稻直播易受倒春寒等低溫陰雨冷害威脅，《GB/T 34816-2017倒春寒氣象指標(biāo)》［9］將倒春寒定義為3—5月出現(xiàn)的前暖后寒，且后期氣溫明顯低于正常年份的現(xiàn)象；同時(shí)以前期偏暖程度、后期偏冷程度以及持續(xù)天數(shù)將倒春寒分為重、中、輕三種等級。以往有關(guān)倒春寒對稻苗的影響研究主要集中于爛芽死苗［10-11］以及稻株對低溫的抗、耐性問題［12-14］，未考慮全球氣候變暖背景下重度倒春寒占比下降，中、輕度倒春寒占比上升這一變化特征。而中、輕度倒春寒對稻苗的影響主要表現(xiàn)為脅迫后生長恢復(fù)緩慢，特別是由于秧苗長勢弱，雜草競爭優(yōu)勢相對增強(qiáng)，且施用除草劑易對弱小稻苗產(chǎn)生較大傷害［15-17］，因此低溫陰雨后往往伴隨草害問題，嚴(yán)重威脅早稻直播生產(chǎn)。

有研究指出，植物在生長期內(nèi)經(jīng)歷一段時(shí)間非致死性逆境脅迫，其內(nèi)部機(jī)制會對外界脅迫做出積極響應(yīng)以渡過脅迫，待環(huán)境條件恢復(fù)正常后通常會出現(xiàn)短暫性快速生長現(xiàn)象，被稱作“補(bǔ)償性生長”或“反彈性生長”［18-19］，同時(shí)補(bǔ)償性或反彈性生長的效果與植物類型及品種有關(guān)［20］。易子豪等［21］選用6個水稻品種于苗期模擬水分虧缺，發(fā)現(xiàn)輕度干旱所引發(fā)的生長補(bǔ)償性效應(yīng)有利于提高秧苗素質(zhì)，使株高、葉面積及干物質(zhì)積累量快速增加。段素梅等［22］研究發(fā)現(xiàn)，適度干旱有利于提高水稻植株活性氧清除酶活性，并使其在復(fù)水后仍維持在較高水平，有利于延緩葉片衰老，同時(shí)發(fā)現(xiàn)孕穗期水稻干旱復(fù)水后仍能快速恢復(fù)生長。雖然以往研究中也注意到水稻經(jīng)低溫脅迫回溫后生長恢復(fù)的品種間差異性［23-24］，但迄今鮮見關(guān)于低溫脅迫后水稻強(qiáng)反彈性生長材料篩選的相關(guān)報(bào)道。據(jù)此，本研究選取131份早稻材料，采用人工氣候室模擬試驗(yàn)篩選經(jīng)低溫弱光脅迫的后強(qiáng)生長恢復(fù)型材料，以期為直播早稻應(yīng)對倒春寒低溫弱光脅迫的育種與栽培調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用水稻品種來源見表1，共131份，其中NC1～NC97為江西農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生理生態(tài)及遺傳育種實(shí)驗(yàn)室自育的農(nóng)藝性狀穩(wěn)定的秈型水稻常規(guī)品系。表1中GP編號為昌恢T025等恢復(fù)系與協(xié)青早B//協(xié)青早B/東鄉(xiāng)野生稻BC1F13雜交育成［25］，B034～B1044為部分保持系、新選育的常規(guī)株系，還有部分常規(guī)早稻品種。

表1 (續(xù))

表1 (續(xù))

表1 不同供試水稻品種來源、綜合指標(biāo)值及綜合排名Table 1 Sources，D values and overall ranking of rice varieties used in the experiment

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021年在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工氣候室，采用塑料桶桶栽方式進(jìn)行。塑料桶規(guī)格為上部直徑19 cm，底部直徑12 cm，高13 cm，試驗(yàn)所用土壤為稻田淺層的耕作土壤，取土后堆放于基地院中自然晾曬風(fēng)干，用FT-1000A土壤粉碎機(jī)（山東安博儀器股份有限公司）粉碎，過100目網(wǎng)篩，每桶裝土2.5 kg，施復(fù)合肥（N-P-K=15%-15%-15%）1 g，播種前一周用水浸泡待用。土壤pH值為5.4，有機(jī)質(zhì)含量為32.8 g·kg-1，全氮含量為0.174%，有效氮、磷、鉀含量分別為113.0、17.3和108.4 mg·kg-1。試驗(yàn)開始前將水稻種子用3%的次氯酸鈉溶液進(jìn)行消毒（20 min），用自來水沖洗3次，置于發(fā)芽袋中清水浸種（30℃）直至露白。

試驗(yàn)條件依據(jù)《GB/T 34816-2017倒春寒氣象指標(biāo)》［9］和江西省倒春寒發(fā)生情況［26-27］制訂。本試驗(yàn)共進(jìn)行兩期，第一期于4月7日播種，4月14日（2葉至3葉期）進(jìn)行輕度倒春寒模擬處理，追蹤低溫弱光逆境脅迫后的幼苗生長恢復(fù)情況，對照組條件：6：00—18：00恒溫28℃，光合有效輻射533μmol·s-1·m-2；18：00—次日6：00恒溫25℃，黑暗處理，濕度為75%；試驗(yàn)組條件：6：00—18：00恒溫14℃，光合有效輻射267μmol·s-1·m-2（對照組的50%），18：00—次日6：00恒溫10℃，黑暗處理，濕度為75%，處理持續(xù)4 d后恢復(fù)為與對照組一致。第二期于11月21日播種，10月28日（2葉至3葉期）進(jìn)行中度倒春寒模擬處理，對照組條件與第一期一致；試驗(yàn)組條件：6：00—18：00恒溫12℃，光合有效輻射267 μmol·s-1·m-2（對照組的50%），18：00—次日6：00恒溫8℃，黑暗處理，濕度為75%，處理持續(xù)4 d后恢復(fù)為與對照組一致。處理結(jié)束后從0 d開始，每3 d進(jìn)行一次數(shù)據(jù)測量，共5次（0～12 d）。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

由于植株對脅迫的耐受性及脅迫結(jié)束后植株的恢復(fù)能力有所不同，本研究將關(guān)注點(diǎn)集中在中、輕度非致死倒春寒脅迫后幼苗生長恢復(fù)情況，選擇幼苗生長的動態(tài)情況作為篩選指標(biāo)。兩種處理下每種材料分別種植3桶，取樣時(shí)從每桶分別選出3株長勢均勻一致的水稻幼苗（共9株）進(jìn)行調(diào)查，用直尺測量株高，同時(shí)根據(jù)完全葉數(shù)量以及新葉抽出長度占相鄰下一片完全葉百分比統(tǒng)計(jì)葉齡，參考文獻(xiàn)［28-29］計(jì)算以下相關(guān)指標(biāo)。

式（1）～（6）中，j=1，2，3，……，n；Xj和μ(Xj)分別代表第j個指標(biāo)的主成分值與隸屬函數(shù)值；Xmax與Xmin分別為第j個主成分的最大、最小值；Wj為第j個綜合指標(biāo)所占權(quán)重；Pj為主成分分析所得的第j個指標(biāo)綜合貢獻(xiàn)率；D為綜合指標(biāo)計(jì)算所得恢復(fù)能力綜合評價(jià)值。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 26.0、Excel 2016及GraphPad Prism 8軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、主成分分析以及聚類分析等相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫后水稻恢復(fù)生長指標(biāo)間相關(guān)性分析

處理后當(dāng)天開始每3 d進(jìn)行一次取樣計(jì)算，共5次，將每次所得株高比、葉齡比及生長速度按時(shí)間先后順序依次記作株高比1～5（X1～X5）、葉齡比1～5（X6～X10）及生長速度1～4（X11～X14），并以此作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。由表2可知，株高比（X1～X5）與葉齡比（X6～X10）之間除X1與X6、X7、X9以及X2與X7外，其余各指標(biāo)之間均存在顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，其中X4與X8之間相關(guān)系數(shù)最大，為0.460。相較葉齡比，株高比（X1～X5）與生長速度（X11～X14）之間存在更多相關(guān)性不顯著指標(biāo)，特別是X14，僅與X4之間存在極顯著負(fù)相關(guān)，其中X1與X11之間相關(guān)系數(shù)絕對值最大，為0.549。葉齡比（X6～X10）與生長速度（X11～X14）間大部分指標(biāo)無顯著相關(guān)性，僅有X8與X13、X14以及X10與X14之間存在顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系，其中X8與X14之間相關(guān)系數(shù)絕對值最大，為0.294。各指標(biāo)間相關(guān)性分析結(jié)果表明，較多指標(biāo)間存在顯著或極顯著相關(guān)性，會使其提供信息產(chǎn)生一定程度的重疊，但水稻脅迫解除后的恢復(fù)能力作為較為復(fù)雜的綜合性狀，難以用單項(xiàng)指標(biāo)直接準(zhǔn)確地進(jìn)行恢復(fù)能力的評價(jià)，因而可利用主成分分析對各種質(zhì)資源脅迫解除后的恢復(fù)能力進(jìn)行進(jìn)一步綜合評價(jià)。

表2 低溫脅迫后水稻秧苗期恢復(fù)能力指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)Table2 Correlation coefficients of rice seedling stage recovery capacity indicators after low temperature stress

2.2 低溫脅迫后水稻恢復(fù)生長指標(biāo)主成分分析

以上述項(xiàng)目（X1～X14）為指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，并以特征值大于等于1作為依據(jù)，共得到5個主成分。表3為各主成分特征值及貢獻(xiàn)率，其中主成分1、主成分2、主成分3、主成分4和主成分5的特征值分別為4.459、2.314、1.598、1.344和1.104，貢獻(xiàn)率分別為31.850%、16.530%、11.415%、9.601%和7.883%。5個主成分特征值均大于1且累積貢獻(xiàn)率達(dá)到77.278%。因此將特征值小于1的綜合指標(biāo)舍去，以前5個主成分作為相互獨(dú)立的新指標(biāo)對原有指標(biāo)作出概括。

表3 各綜合指標(biāo)特征值及貢獻(xiàn)率Table 3 Eigen values and proportion of comprehensive indexes

表4為所用篩選指標(biāo)載荷矩陣，其中第1主成分（CI1）中，株高比3～5及葉齡比3、5的特征向量都較高，分別為0.709、0.815、0.705、0.701、0.709，可作為第1主成分的主要作用因子；第2主成分（CI2）中，株高比1、生長速度1、3的特征向量較高，分別為-0.616、0.621、0.615，可作為第2主成分的主要作用因子；第3主成分（CI3）中株高比2和生長速度2的特征向量較高，為主要作用因子；第4主成分（CI4）中葉齡比1及生長速度1、3為主要作用因子；第5主成分（CI2）中的主要作用因子則為生長速度4。

表4 各因子載荷矩陣Table 4 Loading matrix of each component

2.3 隸屬函數(shù)及各材料脅迫后生長恢復(fù)能力綜合評價(jià)

以上述5個綜合指標(biāo)（CI1～CI5）為基礎(chǔ)進(jìn)行各材料隸屬函數(shù)值計(jì)算，用SPSS 26.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后利用公式（3）計(jì)算出隸屬函數(shù)值μ（Xj）。再根據(jù)5個綜合指標(biāo)貢獻(xiàn)率以及公式（4）可得出各綜合指標(biāo)權(quán)重，分別為0.412、0.214、0.148、0.124、0.102。最后根據(jù)公式（5）計(jì)算各材料的綜合得分D值（表1）。

D值可作為判斷低溫弱光脅迫后恢復(fù)能力強(qiáng)弱的依據(jù)，D值越大說明該材料恢復(fù)能力越強(qiáng)。對D值進(jìn)行排序后即可得到各材料相應(yīng)排名。分別選取D值排名前5位與后5位為高D值材料與低D值材料，高D值材料為B562、B592、B556、早R472、B1044，均大于0.69，其中B562的D值最高，為0.699，說明其綜合恢復(fù)能力最強(qiáng)。低D值材料為NC67、B924、B1017、NC8、B811，均小于0.29，其中B811恢復(fù)能力最弱，D值為0.265。

2.4 各材料脅迫后生長恢復(fù)能力聚類分析

以D值為依據(jù)，利用平方歐式距離對各材料進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，將各材料按D值大小分為3類。由圖1和表1可知，第Ⅰ類D值范圍在0.435～0.544之間，共有56份材料，為強(qiáng)恢復(fù)性材料；第Ⅱ類D值范圍在0.571～0.709之間，共有49份材料，為中等恢復(fù)性材料；第Ⅲ類D值范圍在0.265～0.415之間，共有26份材料。

圖1 基于D值的131份水稻材料聚類分析結(jié)果Fig.1 Results of clustering analysis for 131 rice materials based on D value

2.5 高D值材料與低D值材料各項(xiàng)指標(biāo)差異

根據(jù)綜合評價(jià)結(jié)果，分別從3個類別中選擇D值最高及最低的3份材料進(jìn)行篩選指標(biāo)的差異顯著性分析（圖2）。第Ⅰ類（高D值材料，highDvalue materials，HDM）中所選材料為B562、B592、B556、B631、NC29、B773，第Ⅱ類（中等D值材料，mediumDvalue materials，MDM）中所選材料為NC42、NC65、NC39、NC57、NC78、B034，第Ⅲ類（低D值材料，lowDvalue materials，LDM）中所選材料為B125、NC54、B795、B1017、NC8、B811。由圖2可知，三類材料株高比在第0天較為接近，均無顯著差異，后續(xù)恢復(fù)過程中（第3～第12天）HDM與LDM間差距逐漸增大并始終存在顯著差異，HDM與MDM間株高比較為接近，僅在第6天出現(xiàn)顯著差異。葉齡比方面，各材料變化趨勢存在差異，HDM、MDM葉齡比分別在第3、第9天達(dá)到最高，同時(shí)兩種材料葉齡比差距隨著恢復(fù)時(shí)間的延長而不斷縮??；LDM與HDM間葉齡比整體始終存在顯著差異，LDM與MDM在第0、第9、第12天存在顯著差異。生長速度方面，各類材料的生長速度最高值出現(xiàn)時(shí)間并不一致，D值越低，最高生長速度出現(xiàn)時(shí)間越晚，同時(shí)平均生長速度也越低。

圖2 低溫弱光脅迫下高D值材料與低D值材料苗期各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)差異Fig.2 Differences of morphological indicators between high and low D value materials at seedling stage under low temperature and weak light stress

2.6 中度倒春寒后各材料恢復(fù)能力的驗(yàn)證

為驗(yàn)證輕度倒春寒篩選試驗(yàn)結(jié)果是否適用于中度倒春寒，選出強(qiáng)恢復(fù)型材料2份（B562、B116）和弱恢復(fù)型材料2份（B144、B811）于人工氣候室進(jìn)行中度倒春寒模擬脅迫，對各材料恢復(fù)能力進(jìn)行進(jìn)一步鑒定。由圖3可知，無論是輕度或是中度倒春寒脅迫，兩種不同恢復(fù)型材料在各個篩選指標(biāo)間均存在較大差異。在輕度脅迫后，兩種恢復(fù)型材料株高比隨著恢復(fù)時(shí)間的延長均表現(xiàn)出升高趨勢，其中強(qiáng)恢復(fù)型材料恢復(fù)速度明顯快于弱恢復(fù)型材料，在第12天時(shí)株高比甚至大于1。在中度脅迫后，強(qiáng)恢復(fù)型材料恢復(fù)速度明顯減緩，難以快速恢復(fù)，同時(shí)弱恢復(fù)型材料株高比始終穩(wěn)定在較低水平，無法恢復(fù)。葉齡比方面，隨著恢復(fù)時(shí)間的延長，輕度脅迫下各材料變化趨勢與株高比相似，而中度脅迫下弱恢復(fù)型材料隨著恢復(fù)時(shí)間的延長表現(xiàn)出先降低后升高的變化趨勢，在恢復(fù)后期與強(qiáng)恢復(fù)型材料接近。生長速度方面，隨著恢復(fù)時(shí)間的延長輕度脅迫下各材料變化趨勢與圖2-C中不同恢復(fù)能力材料生長速度表現(xiàn)相似，而中度脅迫下強(qiáng)恢復(fù)型材料表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，弱恢復(fù)型材料則表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，同時(shí)兩種材料變化拐點(diǎn)均出現(xiàn)在第6～第9天之間。

圖3 輕度及中度倒春寒模擬試驗(yàn)下各材料篩選指標(biāo)差異Fig.3 Differences in screening indexes among materials under mild and moderate“abnormal coldness in spring”simulation tests

3 討論

低溫脅迫是造成水稻減產(chǎn)的重要因素之一。水稻苗期遭遇低溫脅迫可能會導(dǎo)致其生長減緩、發(fā)育不良甚至死亡［30-31］。而倒春寒等低溫弱光復(fù)合脅迫對中國長江中下游雙季稻區(qū)早稻生產(chǎn)具有極大危害，低溫弱光復(fù)合脅迫過后，因水稻幼苗無法快速生長，對田間雜草形成遮蔭及營養(yǎng)競爭壓迫等，常常伴隨嚴(yán)重草害問題［32-33］。篩選具有脅迫后快速生長恢復(fù)能力的種質(zhì)資源是解決此類問題的直接手段。以往研究大多是針對水稻苗期耐寒性，且多以植株生理生化指標(biāo)作為篩選依據(jù)，難以大規(guī)模應(yīng)用［23-24，34］。本研究發(fā)現(xiàn)，水稻在苗期經(jīng)低溫弱光脅迫后葉色變淡，且不同材料間差異較小?？紤]到人為評價(jià)葉色深淺準(zhǔn)確度較低，而對其精確量化操作復(fù)雜，不利于大規(guī)模應(yīng)用，同時(shí)水稻幼苗的生長恢復(fù)能力是由多種因素決定的復(fù)雜數(shù)量性狀，用單一指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)具有一定的局限性，因此本研究以脅迫后水稻幼苗株高、葉齡的動態(tài)指標(biāo)為基礎(chǔ)，通過分析得出株高比（處理/對照）、葉齡比（處理/對照）與生長速度，并以此為篩選指標(biāo)，盡可能避免因品種差異導(dǎo)致的單個指標(biāo)間差異較大的情況，以提高篩選的準(zhǔn)確性。主成分分析能夠把多個單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)化成數(shù)目少且相對獨(dú)立的新綜合指標(biāo)，從而避免指標(biāo)間相關(guān)程度高導(dǎo)致的信息重疊問題，對于數(shù)量性狀的綜合評價(jià)分析有較好的適用性［35-36］。本研究將14個指標(biāo)通過主成分分析及隸屬函數(shù)分析計(jì)算得出D值，可以對各材料進(jìn)行合理的概括，同時(shí)聚類分析能夠根據(jù)綜合評價(jià)指標(biāo)D值對不同材料進(jìn)行精確分類，直觀地展示出材料間的分類關(guān)系。

本研究發(fā)現(xiàn)，部分材料如B676，處理結(jié)束當(dāng)天生長情況一般，對低溫弱光耐受性較差，但后期恢復(fù)速度快，綜合得分高，表明早稻材料的低溫耐性與生長恢復(fù)性可能存在不同機(jī)制，不僅要重視材料的低溫耐受性，還應(yīng)考慮低溫脅迫后的生長恢復(fù)性能。同時(shí)對各材料低溫脅迫處理后的恢復(fù)生長速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，絕大部分材料生長最快時(shí)間段集中在0～9 d，特別是0～3 d之間，因此在栽培上應(yīng)利用這一段黃金期，在低溫解除后盡快補(bǔ)充速效肥等以加速作物生長恢復(fù)。

目前，國內(nèi)有少量研究開始注意到冷后稻株生長恢復(fù)問題，如趙楊等［23-24，37］對水稻苗期耐寒性及生理機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫后幼苗部分生理指標(biāo)的恢復(fù)存在明顯的品種間差異，同時(shí)低溫下幼苗葉片的生理響應(yīng)相較于根系更為迅速，耐寒品種生理響應(yīng)比冷敏感品種更為迅速。考慮到全球氣候變暖背景下致死性重度倒春寒發(fā)生頻率較低，如郭瑞鴿等［26］基于江西省87個氣象站1961—2018年的氣溫?cái)?shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)近30年江西省全省直播早稻重度倒春寒災(zāi)害呈下降趨勢，中、輕度倒春寒占比明顯上升。因此，本研究重點(diǎn)關(guān)注非致死性中、輕度倒春寒低溫（常常伴隨陰雨天氣過程）脅迫后早稻快速恢復(fù)問題，而對于重度倒春寒脅迫后是否存在相同反彈性生長的現(xiàn)象，或是否存在低溫閾值等問題還有待進(jìn)一步深入研究。

本研究發(fā)現(xiàn)，在中度倒春寒模擬試驗(yàn)下，強(qiáng)、弱恢復(fù)型材料間仍會出現(xiàn)較大差異，表明輕度倒春寒試驗(yàn)下的篩選結(jié)果在中度倒春寒下仍具有一定適用性，但相比于輕度倒春寒，中度倒春寒下各材料均無法恢復(fù)至對照水平，同時(shí)在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)部分死苗，各材料之間死苗率也存在一定差異，表明水稻幼苗反彈性生長存在一定限度，中度及重度倒春寒易對早稻幼苗造成難以恢復(fù)的傷害，生產(chǎn)中應(yīng)通過一定的措施進(jìn)行預(yù)防或補(bǔ)救以減少損失。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)通過對水稻幼苗進(jìn)行輕度倒春寒模擬脅迫，以脅迫結(jié)束后的株高比、葉齡比、生長速度動態(tài)變化指標(biāo)作為篩選依據(jù)，利用主成分分析、隸屬函數(shù)值及聚類分析等方法，將131份材料按脅迫后恢復(fù)能力差異分為強(qiáng)（共56份）、中（共49份）、弱（共26份）三類，同時(shí)發(fā)現(xiàn)輕度脅迫中篩選出的強(qiáng)恢復(fù)型材料在中度倒春寒脅迫后也表現(xiàn)出一定的快速恢復(fù)特性，表明上述方法進(jìn)行低溫脅迫解除后強(qiáng)反彈性生長型早稻材料的篩選是可行的。